长周期地震动与SSI效应耦合对厚覆盖软土场地上超高层建筑动力响应影响规律研究

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近年来,随着经济的发展和城市人口日趋密集,超高层建筑在一些―寸土寸金‖的中心城市迅猛发展,而许多大中城市分布在海滨或沉积盆地,这些地区覆盖土层通常具有深厚和软弱的特点。超高层建筑属于长周期结构,对远场长周期地震动敏感,容易发生类共振反应。近年发生的几次强震表明:特别是处于厚覆盖软土场地上的长周期结构,更易遭受远场长周期地震动的影响。不仅如此,软土场地上高层建筑的土-结构动力相互作用(Soil-Structure Interaction,SSI)可能对结构产生不利影响。目前,包括我国在内的多数国家的规范为了简化设计,一般偏于安全地采用刚性地基假定而不计入SSI效应的影响。  本文通过利用限元软件ABAQUS对4个建立在深厚软土层上的不同自振周期的超高层建筑(4s、6s、8s和10s)结构算例进行数值模拟,分别建立考虑SSI效应整体模型和不考虑SSI效应的上部结构有限元模型。利用选出的3条远场长周期地震波及1条参照波对其进行地震动时程反应分析,得到长周期地震动与SSI效应耦合对厚覆盖软土层上的超高层建筑结构的动力响应规律,为基于性能/位移的抗震设计、评估和加固提供必要的理论依据。通过分析得到以下结论:  (1)地震导致的层间变形是结构破坏的主要因素,基于层间位移分析,Aqaba-Hadera.EW波、OSKO080508161146.EW波、JIJI波(LILA台站)与ELCENTROL波4条地震波作用下,算例一、二、三、四中考虑SSI效应之后结构的最大层间位移分别是不考虑SSI效应的1.001、1.06、1.32、0.97倍,0.91、0.97、0.92、0.86倍,0.89、0.81、1.01、0.88倍及0.91、0.83、0.90、0.88倍,即算例二、三、四中考虑SSI效应后结构的最大层间位移较不考虑SSI效应有明显减小或接近,而算例一中考虑SSI效应之后结构的最大层间位移较不考虑SSI效应有明显变大或接近。这说明一般情况下,考虑SSI效应能够减弱远场长周期地震动对厚覆盖软土场地上超高层建筑的地震反应,超高层结构基于刚性地基假定的抗震设计是偏于安全的,但是由算例一分析,如果考虑 SSI效应之后,结构的第一自振周期接近且小于土体的第一自振周期时,可能发生类共振效应,使结构的地震反应加大,导致基于刚性假定的抗震设计偏于不安全,这是在工程设计中需要特别注意的;4条地震波作用下,算例中的四个超高层建筑结构中随着上部结构第一自振周期的增大,考虑与不考虑SSI效应时结构最大层间位移的相对误差基本呈现减弱的趋势,这说明随着上部结构第一自振周期的增大,SSI效应的减震效果越明显。  (2)四个算例中,考虑 SSI效应之后结构顶层的加速度峰值明显减小,其中参照波 ELCENTROL波作用下结构顶层的加速度峰值减小幅度要大于另外3条远场长周期地震波,这说明SSI效应可以减小厚覆盖软土场地上超高层结构的地震加速度反应,且远场长周期地震动作用下对加速度反应的减弱效果要小于近场参照地震动;考虑SSI效应时,在所选择的4条地震波作用下,算例中的四个超高层建筑结构中随着上部结构第一自振周期的增大,结构顶层峰值加速度有逐渐减小的趋势。  (3)四个算例中,与参照波 ELCENTROL波相比,Aqaba-Hadera.EW波、OSKO080508161146.EW波及JIJI波(LILA台站)3条远场长周期地震波作用下,结构考虑与不考虑SSI效应的顶层加速度峰值、侧向位移和层间位移都有明显的增大,这说明无论是否考虑SSI效应,远场长周期地震动都可以加大厚覆盖软土场地上超高层建筑结构的地震反应。
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